长波红外激光成像雷达技术的研究进展

第 31 卷　 第 3 期　　　 　　　　　　　　　　　　激 光 与 红 外 V o l. 31,N o. 3 　2001年6月　　　　　　　　　　　　　　LA SER 　&　 IN FRA R ED 　　　　　　　　　　　　　　　June, 2001 　　文章编号: 100125078 (2001) 0320133203 长波红外激光成像雷达技术的研究进展 王春晖, 王　骐, 尚铁梁 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘　要: 文中论述了长波红外激光成像雷达国内外最新研究进展。以CO 2 激光成像雷达为典 型代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf , 分析了长波红外激光成像雷达 (与短波红外和中波红外相比)所拥有的技术优势。其中 CO 2 长波红外激光成像雷达已步入技术成熟阶段, 现向高帧频、小型化、多用途波导CO 2 激光 成像雷达方向发展。随着近年来量子级联半导体激光器 (Q CL )迅猛发展, 全固化Q CL 激光成 像雷达, 将是未来长波红外激光成像雷达技术研究的热点之一。 关键词: 激光雷达; 波导CO 2 激光器; 量子级联半导体激光器 (Q CL ) 中图分类号: TN 958. 98　　　文献标识码: A State of the Art of L ong W ave Infrared Laser Imag ing Radar W AN G Chun2hu i,W AN G Q i, SHAN G T ie2liang ( Inst itu te of op toeletron ics, H arb in inst itu te of T echno logy, P. O. B 309, H arb in 150006, Ch ina) Abstract: In th is paper, the la test research advances of long w ave (LW ) infrared ( IR ) laser im aging radar (L IR ) are expounded. T he techno logic advan tages of LW IR L IR over sho rt2and m id2IR ones are analyzed. T he LW IR CO 2 L IR have m atured, and is advancing on w avegu ide CO 2 L IR w ith h igh fram e frequency, m in iatu rizat ion and m ulti2use. A s recen t quan tum cascade laser (Q CL ) is develop ing rap idly, a ll2sta te Q CL L IR w ill be one of the best study task on the LW IR L IR techno logy. Key words: laser im aging radar (L IR ) ; w avegu ide CO 2 laser; quan tum cascade laser (Q CL ). 1　引　言 激光成像雷达的研究始于七十年代“火池” (F irepond) 激光雷达, 它采用CO 2 激光外差探测体 制, 对 GECO S23 卫星进行了跟踪演示试验[1 ]。激光 主动成像雷达多以激光束快速扫描照射目标, 落在 目标各个部分的光斑其回波中即含有目标相应部分 的反射强度信息, 目标点至雷达的距离和速度信息 (外差探测) , 经光电成像探测器接收, 进行信息处 理, 即可在显示器上得到区别于背景的目标图像。利 用反射强度得到目标强度像, 利用目标距离信息得 到距离像, 如果将强度像和距离像的图像叠加, 那就 可以得到更精确反映目标外形特征的三维图像。另 外, 由于激光波束窄、工作频率非常高, 角分辨率和 速度分辨率极高, 它的三维图像用于目标识别, 与被 动红外成像及合成孔径雷达相比, 可大大提高目标 识别精度, 是目标自动识别和分类技术 (A R T ) 的一 个重大进展[2 ]。例如, 美国A GM 2129A 巡航导弹上 加装CO 2 激光主动成像制导雷达以后, 使它的目标 精度由原来的 40m 提高到 3m , 提高了一个数量 级[3 ]。 激光成像雷达按工作体制一般可分为两大类: 直接探测和相干探测 (包括零差、偏置外差和外差探 测)激光成像雷达。按激光成像雷达的工作波长可分 为: 可见光及短波红外激光成像雷达 (0. 6328～ 3Λm )、中波红外激光成像雷达 (3～ 5Λm ) 和长波红 外激光成像雷达 (8～ 12Λm )。其中长波红外激光成 　　作者简介: 王春晖 (1965- ) , 男, 硕士, 副研究员, 1987 年毕业于 哈尔滨工业大学应用物理系, 现在哈工大光电子技术研究所工作, 主 要从事长波红外相干激光探测技术研究。 收稿日期: 2000210208 像雷达具有独特的技术优势, 它最先在军事上得到 应用, 如目标自动识别、目标跟踪瞄准、巡航弹的精 确制导及武装直升机防撞告警等[2～ 4 ]。 2　长波红外激光成像雷达的技术优势 　　从原理上讲, 任何类型激光器都可以作为激光成 像雷达的发射光源, 但综合考虑各种因素, 比如波长、 大气传输特性、功率、信号形式、平台限制、对人眼安 全程度、可靠性和技术成熟程度等, 因此用于激光成 像雷达发射光源的激光器却为数不多, 目前它的主要 类型是: 1. 06Λm 的N d∶YA G 固体激光器, 10. 6Λm 的 CO 2 气体激光器, 和 0. 808Λm (或0. 905Λm ) 的 GaA lA s 半导体激光器, 它们都处于大气传输窗口 的短波红外 (0. 808～ 3Λm )、长波红外 (8～ 12Λm )。 但在中波红外 (3～ 5Λm ) 波段目前还没有可靠成熟 的激光器。为了获得中波红外激光, 一般采用倍频技 术将CO 2 激光器输出的 10. 6Λm 长波红外激光倍频 到 5. 3Λm 中波红外[5 ] , 或采用O PO 技术 (光学参量 振荡) 将短波红外调谐到 3～ 5Λm 中波红外[6 ] , 但是 无论倍频技术还是O PO 技术获得的中波红外激 光, 其转换效率现在还比较低, 短期内无法作为激光 成像雷达的发射光源。 CO 2 激光成像雷达是目前技术上唯一比较成熟 的长波红外激光成像雷达。它的单元器件和关键技 术利用已有的成熟技术均可以解决, 而且向高稳定 性长寿命小型化方向发展, 例如, 小型军用波导CO 2 激光器, 既可以做成双通道高稳频[7 ] , 还可以做成高 功率稳频板条放大形式[8 ] , 它的转换效率可高达 25% , 调Q 波导 CO 2 激光器既可采用电脉冲调Q , 还可以采用 CdT e 电光晶体调Q , 它的脉冲重复频 率可实现高重频, 国外目前已做到 100kH z[9 ] , 国内 可以做到 40kH z 以上。但是目前最好的LD 泵浦 YA G 激光器脉冲重复频率只能做到十几千赫 兹[10 ]。高频响应的光伏型H gCdT e 探测器在国外可 以做到 1GH z 以上, 国内可以做到 400M H z 以上, 并 已开始研制非制冷型[11 ]。此外, 由于CO 2 激光相干 性好, 采用外差探测, 可大大提高接收机的探测灵敏 度。理论和实验证明, 在没有起伏的单脉冲情况下, 外差探测的灵敏度比直接探测高 80 倍[12 ]。过去限 制CO 2 激光器应用的存放寿命短、体积大和需冷却 等缺点, 现已基本找到了技术解决途径。国内的CO 2 激光器, 其存放寿命已达 10 年, 射频激励电源 150W 的体积可以做到 100×70×20mm 2。 CO 2 激光成像雷达具有波段优势。它的工作波 长是 10. 6Λm 恰好处于大气窗口长波红外 (8～ 12Λm )范围, 在恶劣的战场 (烟尘, 烟雾, 雨天和碳氢 化合物等能见度低)条件下, 其透明度大大高于固体 YA G 激光器 1. 06Λm 的短波红外。有关 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 显示, 在战场条件下, 传输 10km 时, 10. 6Λm 激光传输性 能比 1. 06Λm 激光好 20dB [13 ]。此外, CO 2 激光波长 在人眼安全波长限 1. 4Λm 之上, 在中小功率照射下 不会伤损人的视网膜。 以 CO 2 气体激光器为代表的长波红外激光成 像雷达还具有向全固化方向发展前景。近年半导体 激光器技术发展非常迅猛, 并正向长波红外波段拓 展。从 1994 年贝尔实验室研制出第一只 4. 2Λm 量 子级联激光器 (Q uan tum Cascade L aser, Q CL ) 至 今, 短短五年, 工作温度已从 10K 发现到现在 300K, 输出功率从几毫瓦, 几十毫瓦到最近已达 1W , 波长从4. 2Λm , 10Λm , 到 13Λm [14- 18 ] , 我国上海 冶金研究所研制的Q CL 最近已通过国家级鉴定, 长波已做到8. 2Λm [19 ]。因此, 采用此类Q CL 激光 器, 不久的将来极有可能彻底解决长波红外激光成 像雷达全固化难题, 克服目前长波红外激光器尚不 能全固化所带来的一系列缺陷, 研究出真正意义上 全固化长波红外激光成像雷达, 实现小型化甚至微 型化, 同时又保持长波红外的一系列优势, 它在精确 制导技术方面的潜在应用前景非常巨大。 3　国内外研究情况 CO 2 长波红外激光成像雷达的研究已有 20 多 年历史, 各单元器件和主要关键技术都比较成熟, 国 外七十年代末就开始研究用于巡航导弹精确制导 CO 2 激光主动成像雷达, 提高目标命中精度, 现已到 了技术基本成熟阶段。 美国国防关键技术 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中明确针对巡航导弹精 确制导使用的波导 CO 2 激光成像雷达计划有两 个[2- 3 ]: ①美国国防部远景研究计划局 (DA R PA ) 和美 国空军航空系统分部主持的CM A F (C ru ise M issile A dvanced Gu idence) 预研计划, 从 1977 年至 1989 年完成了研究计划, 并完成了飞行演示实验, 进一步 研制了CO 2 激光主动成像雷达导引头工程样机。目 前 CM A G 巡航导弹先进制导技术, 已应用在空中 发射的先进战略巡航导弹 A GM - 129A 上, 使 A GM - 129A 目标精度由原来的 40m 提高到 3m , 431 激 光 与 红 外　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　第 31 卷 提高一个数量级。 ②1990 年美国空军和海军又制定了“先进技术 激 光主动成像雷达导引头研究计划”, 又称为 A TLA S (A dvanced T echeno logy L adar System ) 计 划。该计划以与红外探测兼容A GM - 130 为应用对 象。1992 年进行了飞机吊舱飞行试验, 取得了图像。 1993 年又吊挂 F- 15 飞机上进行高速飞行试验。实 验取得了成功, 通过这次试验, 激光主动成像雷达已 进入系列的发展阶段, 即进入了可应用阶段。 近年来, 我国也陆续开展了短波红外和长波红 外激光成像雷达应用基础研究: 0. 905Λm GaA lA s 半导体激光成像防撞雷达 (此计划最后改成了 D PL ) ; 1. 06Λm 半导体泵浦固体N d+ 3: YA G 前视成 像激光雷达; 10. 6Λm 波导 CO 2 激光主动成像雷达 等。 从CO 2 长波红外激光成像雷达技术来看, 我国 与国外 (以美国为代表)先进水平的差距主要表现在 高重复频率波导CO 2 激光器等关键器件技术方面。 2000 年后, 预计我国在CO 2 激光主动成像雷达技术 研究中, 将在 CO 2 激光主动成像雷达总体技术、高 重频脉冲波导 CO 2 激光发射技术、10. 6Λm 长波红 外高灵敏度外差接收技术、高速扫描成像和红外光 学系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 技术、高速信息处理技术等五项关键技 术方面取得重大突破, 并且研制出上述五大关键技 术的演示装置。 4　结束语 CO 2 激光成像雷达技术是国内外都比较成熟的 长波红外激光主动成像雷达技术。它在国外 (美国) 已经完成实用化阶段研究, 可能已经进入现役装备, 在我国它还处于关键技术研究阶段, 未来几年将开 展实用化研究。随着近年来国内小型、大功率、高重 复频率波导CO 2 激光器等关键技术的突破, 我国的 长波红外 (CO 2 ) 激光成像雷达的研制也将获得突 破。由于它具有与被动红外成像光学系统兼容的特 点, 为了增加目标大视场搜索跟踪能力, 适应多变的 战场环境, CO 2 长波红外激光成像雷达的发展趋势 之一, 是将与被动红外成像复合。 长波红外激光成像雷达的另一个趋势是向全固 化方向发展。采用Q CL 激光器代替波导CO 2 激光 器, 是目前解决长波红外激光成像雷达全固化问题 的最佳 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 这是因为CO 2 激光主动成像雷达仅是 长波红外激光成像雷达的一种体制, 它的大部分关 键技术完全可以移值到Q CL 激光成像雷达上来。 参考文献: [ 1 ]　L J Sullivan. 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